Большинство роботов достигают захвата и тактильного восприятия с помощью моторизованных средств, которые могут быть чрезмерно громоздкими и жесткими. Группа Корнелльского университета разработала способ, позволяющий мягкому роботу чувствовать свое окружение изнутри, почти так же, как это делают люди.
Группа под руководством Роберта Шеперда, доцента кафедры механической и аэрокосмической техники и главного исследователя Лаборатория органической робототехникиопубликовал статью, описывающую, как растягивающиеся оптические волноводы действуют как датчики кривизны, удлинения и силы в мягкой роботизированной руке.
Докторант Хуэйчан Чжао является ведущим автором книги «Мягкий протез руки с оптоэлектронной иннервацией через растягивающиеся оптические волноводы», который представлен в дебютном выпуске Science Robotics. Газета опубликована 6 декабря; также внесли свой вклад докторанты Кевин О'Брайен и Шуо Ли, оба из лаборатории Шеперда.
«Большинство роботов сегодня имеют датчики на внешней стороне тела, которые обнаруживают предметы с поверхности», — сказал Чжао. «Наши датчики интегрированы в тело, поэтому они могут фактически обнаруживать силы, передаваемые через толщину робота, во многом так же, как мы и все организмы делаем, например, когда чувствуем боль».
Оптические волноводы используются с начала 1970-х годов для выполнения многочисленных функций измерения, включая тактильные, позиционные и акустические. Первоначально изготовление было сложным процессом, но появление за последние 20 лет мягкой литографии и 3D-печати привело к разработке эластомерных датчиков, которые легко производить и встраивать в мягкие роботизированные приложения.
Группа Шеперда применила четырехэтапный процесс мягкой литографии для изготовления сердцевины (через которую распространяется свет) и оболочки (внешней поверхности волновода), в которой также размещаются светодиод (светоизлучающий диод) и фотодиод.
Чем больше деформируется протез руки, тем больше света теряется через ядро. Эта переменная потеря света, регистрируемая фотодиодом, позволяет протезу «чувствовать» свое окружение.
«Если бы свет не терялся, когда мы сгибали протез, мы бы не получили никакой информации о состоянии датчика», — сказал Шеперд. «Количество потерь зависит от того, как он изогнут».
Группа использовала свой оптоэлектронный протез для выполнения множества задач, включая захват и исследование формы и текстуры. В частности, рука смогла просканировать три помидора и по мягкости определить, какой из них самый спелый.
Чжао сказал, что у этой технологии есть много потенциальных применений, помимо протезов, включая биороботов, которые Шепард исследовал вместе с Мейсон Пек, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники, для использования в освоении космоса.
«В этом проекте нет сенсорной обратной связи», — сказал Шепард, имея в виду сотрудничество с Пеком, — «но если бы у нас были датчики, мы могли бы отслеживать в реальном времени изменение формы во время горения [посредством электролиза воды] и разработать более эффективные последовательности срабатывания, чтобы сделать оно движется быстрее».
Будущая работа над оптическими волноводами в мягкой робототехнике будет сосредоточена на расширении сенсорных возможностей, отчасти за счет 3D-печати более сложных форм датчиков, а также за счет внедрения машинного обучения как способа разделения сигналов от увеличенного числа датчиков. «Прямо сейчас, — сказал Шепард, — трудно определить, откуда исходит прикосновение».
Эта работа была поддержана грантом Управления научных исследований ВВС и использовала Корнеллский научно-технический центр наномасштабов и Корнеллский центр исследования материалов, оба из которых поддерживаются Национальным научным фондом.
- Том Флейшман, Cornell University